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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf einen Überspannungs-Unterdrücker und insbesondere
auf einen Überspannungs-Unterdrücker mit
einem Spiral-Induktor und einer Überspannungs-Blockierungseinrichtung.
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Datenübermittlungsgeräte, Computer, Heim-Stereoverstärker, Fernsehgeräte und andere elektronische
Geräte
werden zunehmend unter Verwendung von kleinen elektronischen Bauelementen hergestellt,
die sehr anfällig
auf eine Beschädigung durch
elektrische Energie-Überspannungen
sind. Überspannungsschwankungen
in Strom- und Übertragungsleitungsspannungen
und auch Rauschen können
den Betriebsbereich der Geräte
verändern und
können
elektronische Geräte
ernsthaft beschädigen
und/oder zerstören.
Außerdem
kann es sehr kostspielig sein, diese elektronischen Geräte zu reparieren
und zu ersetzen. Deshalb benötigt
man einen kosteneffizienten Weg, um diese Bauelemente vor Leistungsüberspannungen
zu schützen.
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Es gibt viele Quellen, die schädliche elektrische
Energie-Überspannungen
hervorrufen können. Eine
Quelle ist eine Radiofrequenz-Störung
(RF), die von einer Vielzahl von Quellen in Hochspannungs- und Übertragungsleitungen
eingekoppelt werden kann. Die Hochspannungs- und Übertragungsleitungen
wirken als große
Antennen, die sich über
mehrere Meilen erstrecken können,
um so in erheblichem Umfang eine RF-Rauschleistung von solchen Quellen,
beispielsweise von Radio-Senderantennen,
einzufangen. Eine andere Quelle der schädlichen RF-Energie stammt von
den zu schützenden
Geräten
selbst, beispielsweise von Computern. Ältere Computer können in
erheblichem Umfang RF-Störungen
aussenden. Eine, andere schädliche
Quelle ist ein Leitungsrauschen, das dadurch erzeugt wird, dass
ein Gerät
mit der Hochspannungs- und Übertragungsleitung
in Verbindung steht, welches Rauschen entlang der Hochspannungsleitungen
zu dem zu schützenden
Gerät geleitet
wird. Eine noch weitere Quelle von schädlicher elektrischer Energie
stellt Blitzschlag dar. Blitzschlag ist eine komplexe elektromagnetische
Energiequelle mit Spannungen, die man auf 5 Millionen bis 20 Millionen
Volt schätzt,
und Strömen,
die Tausende von Ampere erreichen.
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Idealerweise benötigt man eine Überspannungs-Unterdrückungseinrichtung
von kompakter Größe, von
geringer Einkoopplungsdämpfung
und mit einem geringen Stehwellenverhältnis bzw. Welligkeitsfaktor
(VSWR), die Hardware-Geräte
vor einer schädlichen
elektrischen Energie, die von den vorstehend beschriebenen Quellen
abgeben wird, schützen
kann.
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WO-A-95/10116. beschreibt einen Überspannungs-Unterdrücker mit
einem zylindrischen Körper
und einer gekrümmten,
leitfähigen
Viertel-Wellenlängen-Stichleitung, die
einen ersten Abschnitt aufweist, der sich in einer im Wesentlichen
radialen Richtung von einem Innenleiter durch einen Spalt in einem
Außenleiter
hindurch erstreckt, und die einen zweiten Abschnitt aufweist, der
sich in einer im Wesentlichen ringförmigen Richtung, welche den Außenleiter
umschreibt, zwischen dem Außenleiter und
dem zylindrischen Körper
erstreckt.
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US-A-5,122,921 beschreibt einen Überspannungs-Unterdrücker, der
einen Blockierungskondensator, eine Induktor- bzw. Induktionsspule
und eine zu der Induktionsspule parallele Gasentladungsröhre umfasst.
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Die Erfindung ist in Patentanspruch
1 festgelegt. Die Ausführungsform
betrifft einen Überspannungs-Unterdrücker, um Überspannungen
abzuleiten. Der Über spannungs-Unterdrücker schützt Hardware-Geräte vor Überspannungen
elektrischer Energie, beispielsweise bei Blitzschlag. Der Überspannungs-Unterdrücker, weist
einen inneren Leiter und einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule
auf. Der innere Leiter lässt
während
eines normalen Betriebs eine Signalausbreitung durch diesen hindurch
zu und der Spiral-Induktor leitet während eines Überspannungszustands
elektrische Energie zu einer Erdungsverbindung ab. Der Spiral-Induktor
ist zwischen den inneren Leiter und die Erdungsverbindung gekoppelt.
Der Spiral-Induktor wird bei einer im Voraus festgelegten RF-Impedanz
zu Masse betrieben, um die Signale während eines Normalbetriebs
entlang . dem inneren Leiter zu leiten bzw. zu übertragen, so dass das RF-Signal
mit einem minimalen oder einem verschwindenden RF-Signalverlust
durch den Überspannungs-Unterdrücker gelangt.
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Der Überspannungs-Unterdrücker umfasst auch
eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung
ist mit dem inneren Leiter und dem Spiral-Induktor gekoppelt und
in Reihe geschaltet mit der geschützten Hardware, um die hindurch
laufende elektrische Energie zu dämpfen. Die Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung
wird für
das übertragene
RF-Signal transparent sein, wird jedoch wirkungsvoll die elektrische
Energie, die sich durch den inneren Leiter zu der geschützten Hardware
ausbreitet, blockieren bzw. sperren. Der innere Leiter und die Überspannungs-Blockierungseinrichtung
sind innerhalb eines Hohlraums eines Gehäuses angeordnet, wobei der innere
Leiter und der Hohlraum eine Koaxialleitung ausbilden. Der Spiral-Induktor
ist mit der Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung
gekoppelt und auf Masse parallel geschaltet, um die durch die Überspannung
erzeugte elektrische Energie zu entladen.
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Die im Voraus festgelegte RF-Impedanz
des Induktors bzw. der Induktionsspule ist vorzugsweise mindestens
10-mal so groß wie
die Betriebsimpedanz, das heißt
diese beträgt
500 Ohm für
ein 50-Ohm-System. Für
den Fall, dass eine Überspannung,
beispielsweise ein Blitzschlag, auftritt, wird die elektrische Energie über die
spiral förmige
Induktionsspule auf Masse nebengeschlossen, während die Überspannungs-Blockierungseinrichtung
den zerstörerischen
Blitzschlag abblockt und verhindert, dass EMP-Frequenzen und die
Energie zu der geschützten
Hardware gelangen.
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Vorteile der Ausführungsformen umfassen eine
Bereitstellung eines Überspannungs-Unterdrückers, der
auf die System-Impedanz angepasst ist, um ein niedriges Stehwellenverhältnis bzw.
einen niedrigen Welligkeitsfaktor (VSWR) von unterhalb von 1,1 :
1 und einen niedrigen Einkopplungsverlust von weniger als 0,1 dB
zu gewährleisten.
Außerdem stellt
der Überspannungs-Unterdrücker ein
großes Betriebsfrequenzband
bereit und sorgt für
niedrige Herstellungskosten, einen gestapelten mechanischen Aufbau
von kompakter Größe und einen
niedrigen Energie- und
Spannungsdurchsatz.
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Ein ausführliches Verständnis des
Wesens und der Vorteile der Erfindungen kann anhand der verbleibenden
Abschnitte der Patentbeschreibung und der beigefügten Zeichnungen erlangt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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2 stellt
ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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3 stellt
eine perspektivische Ansicht des in der 2 gezeigten Überspannungs-Unterdrückers dar;
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4 stellt
eine Seitenansicht der spiralförmigen
Induktionsspule gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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5 stellt
eine Vorderansicht der Überspannungs-Blockierungseinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar; und
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6 stellt
einen iterativen Prozess dar, um die Induktivität der spiralförmigen Induktionsspule und
die Kapazität
der Überspannungs-Blockierungseinrichtung
zu bestimmen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSBEI-SPIELEN
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In der nun folgenden Beschreibung
wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben werden, das als Überspannungs-Unterdrücker betrieben
wird. Insbesondere werden Beispiele beschrieben werden, die besondere
Merkmale der Erfindung darstellen.
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Die 1 stellt
ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Der Überspannungs-Unterdrücker 100 schützt Hardware und
ein Gerät 110 vor
einer elektrischen Ü-berspannung, welche
die Hardware und das Gerät
beschädigen
oder zerstören
kann. Ein Überspannungszustand
kann in vielen unterschiedlichen Situationen auftreten, tritt jedoch
typischerweise dann auf, wenn ein Blitz 120 ein Bauelement
oder eine Übertragungsleitung 105 trifft,
die mit der geschützten
Hardware 110 gekoppelt ist. Blitzschlag-Überspannungen bestehen
aus einer elektrischen. Gleichspannungsenergie (DC) und einer elektrischen
Wechselspannungsenergie (AC) mit einer Frequenz von bis zu etwa
1 MHz.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Überspannungs-Unterdrücker 100 einen
Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule 130 mit
einer Auslegung mit einer kleinen Aufstandsfläche, wie in der 4 gezeigt. Der Durchmesser,
der Flächeninhalt,
die Dicke und die Form der spiralförmigen Induktionsspule 130 hängen von
der Betriebsfrequenz und von den gewünschten Strom-Handhabungseigenschaften
ab. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird ein iterativer Prozess (nachfolgend beschrieben) dazu verwendet,
um den Durchmes ser, den Flächeninhalt,
die Dicke und die Form der spiralförmigen Induktionsspule zu bestimmen,
so dass diese spezielle Anforderungen eines Nutzers erfüllen. Der
Durchmesser der spiralförmigen
Induktionsspule 130 dieser Packungsgröße und dieses Frequenzbereichs
beträgt
typischerweise 0,865 Inch. Die Dicke der spiralförmigen Induktionsspule 130 dieser
Packungsgröße und dieses
Frequenzbereichs beträgt
typischerweise 0,062 Inch. Außerdem
verläuft
die spiralförmige
Induktionsspule 130 spiralförmig in einer nach außen gerichteten
Richtung.
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Die Materialzusammensetzung der spiralförmigen Induktionsspule 130 stellt
einen wichtigen Faktor dar, um die Ladungsmenge festzulegen, die sicher über die
spiralförmige
Induktionsspule 130 abgeleitet werden kann. Ein Material
mit hoher Zugfestigkeit ermöglicht,
dass die spiralförmige
Induktionsspule 130 eine größere Strommenge entladen kann. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist die spiralförmige
Induktionsspule 130 aus einem 7075-T6-Aluminium-Material
hergestellt. Alternativ kann jedes beliebige Material mit einer
guten Zugfestigkeit und Leitfähigkeit
dazu verwendet werden, um die spiralförmige Induktionsspule 130 zu
fertigen.
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Bei der geschützten Hardware 110 kann
es sich um jegliche Datenübermittlungsgeräte, PC-Computer,
Netzwerk-Verbinder oder andere auf Überspannungen empfindliche
elektronische Geräte handeln.
Die geschützte
Hardware 110 kann auch eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung,
wie diese in der 2 gezeigt
ist, aufweisen, welche die geschützte
Hardware 110 vor einer elektrischen Überspannung abschirmt.
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Die 2 stellt
ein schematisches Schaltungsdiagramm einer anderen Ausführungsform
des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Der Überspannungs-Unterdrücker 100 ist
mit einer Antenne 170 verbunden, um eine Überspannung
zu empfangen bzw. zu erhalten. Die Antenne 170 oder eine
beliebige andere leitende Oberfläche
kann den Blitzschlag empfangen. Vorzugs weise ist der Überspannungs-Unterdrücker 100 in
unmittelbarer Nähe
zu der geschützten
Hardware 110 positioniert, um für einen maximalen Schutz zu sorgen.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
umfasst einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule 130,
um eine elektrische Überspannung
auf Masse zu entladen, und eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150,
um eine elektrische Wechselspannungs- und Gleichspannungsenergie
abzublocken. Die spiralförmige
Induktionsspule 130 des bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist vorstehend beschrieben worden. Typischerweise ist die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 eine kapazitive
Einrichtung, die entweder in einer konzentrierten oder in einer
verteilten Form realisiert ist. Alternativ kann es sich bei der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 um
parallele Stäbe,
Kopplungseinrichtungen, leitende Platten oder irgendeine andere
Einrichtung oder eine Kombination von Elementen handeln, welche
einen kapazitiven Effekt hervorrufen. Die Kapazität der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 kann
in Abhängigkeit
von der von dem Nutzer gewünschten
Betriebsfrequenz variieren. Ein iterativer Prozess (nachfolgend
beschrieben) wird vorzugsweise dazu verwendet, um die Kapazität der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 zu
bestimmen.
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Während
eines Normalbetriebs empfängt
die Hardware 110 über
die Übertragungsleitung 105 RF-Signale
und/oder sendet diese Signale. Folglich wird der Ü-berspannungs-Unterdrücker 100 in
bidirektionaler Weise betrieben.
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Während
eines Überspannungszustands breitet
sich eine große
Menge elektrischer Energie zu der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 hin aus.
Folglich wird in diesem Betriebsmodus der Überspannungs-Unterdrücker 100 in
unidirektionaler Weise betrieben. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 blockt
die durch den Blitzschlag erzeugte elektrische Energie ab und leitet
die elektrische Energie durch die spiralförmige Induktionsspule 130 auf
Masse 140 ab. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 ist
ausgelegt, um weniger als ±3
Volt Gleich spannung gemäß der Spezifikation
IEC 1000-4-5 8/20 usec 20kA durch zu lassen. Die spiralförmige Induktionsspule 130 sollte
eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und eine ausreichende Querschnittsfläche aufweisen,
um elektrische Energie in Entsprechung zu der vorgenannten Signal-Spezifikation
abzuleiten.
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Bei einem Ausführungsbeispiel reicht der minimale
Frequenz-Betriebsbereich von 1,7 GHz bis 2,3 GHz; innerhalb dieses
Frequenzbereichs ist der Einkopplungsverlust auf weniger als 0,1
dB spezifiziert und ist die VSWR auf weniger als 1,1 : 1 spezifiziert.
Die vorstehend erzeugten Werte können
in Abhängigkeit
von dem Frequenzbereich, dem Grad des Überspannungsschutzes und des
gewünschten RF-Verhaltens variieren.
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Die 3 stellt
eine perspektivische Ansicht des in der 2 gezeigten Ü-berspannungs-Unterdrückers dar. Der Überspannungs-Unterdrücker 100 weist
eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250,
einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule 230,
einen inneren Leiter 215 und ein Gehäuse 220 mit einem
Hohlraum 222, einen Überspannungs-Anschluss 255 und
einen geschützten Anschluss 260 auf.
Der innere Leiter 215 ist konzentrisch zu dem Hohlraum 222 des
Gehäuses 220 angeordnet
und befindet sich in diesem. Der Überspannungs-Anschluss 255 ist
mit einer Übertragungsleitung 205 oder
einer Antenne 210 verbunden und der geschützte Anschluss 260 ist
mit der geschützten Hardware 110 verbunden,
wie in den 2 und 3 gezeigt.
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Während
eines Überspannungszustands breitet
sich die Überspannung über den
inneren Leiter 215 in den Überspannungs-Anschluss 255 aus. Danach
wird die Ü-berspannung zu einer
Massenverbindung bzw. Erdungsverbindung über die spiralförmige Induktionsspule 230 abgeleitet.
Folglich wird verhindert, dass die Überspannung den geschützten Anschluss 260 und
die geschützte
Hardware 110 erreicht.
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Während
normaler Betriebszustände
sendet der innere Leiter 215 RF-Signale und empfängt dieser
RF-Signale. Der innere Leiter 215 kann aus einem beliebigen
leitfähigen
Material gebildet sein. Typischerweise ist der innere Leiter 215 ein
Koaxialkabel und besteht dieses aus einem Beryllium-Kupfer-Material.
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An verschiedenen Positionen über das
Gehäuse 220 verteilt,
sind Isolationselemente angeordnet. Vorzugsweise gibt es ein erstes
und ein zweites 226, 228 Isolationselement. Die
Isolationselemente 226, 228 isolieren den inneren
Leiter 215 von dem Gehäuse 220.
Die Isolationselemente 226, 228 können aus
einem dielektrischen Material, beispielsweise aus Teflon, hergestellt
sein, das eine Dielektrizitätskonstante
von etwa 2,3 aufweist. Die Isolationselemente 226, 228 sind
typischerweise zylindrisch geformt, mit einem Mittelloch.
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Die in dem Hohlraum 222 des
Gehäuses 220 angeordneten
Bauelemente des Ü-berspannungs-Unterdrückers werden
nun im Detail beschrieben werden. Der Ü-berspannungs-Unterdrücker 100 weist verschiedene
Segmente auf, von denen jedes so ausgebildet ist, um eine gewünschte Impedanz, das
heißt
50 Ohm, aufzuweisen. Jedes benachbarte Segment ist miteinander verbunden.
Die verschiedenen Segmente werden, beginnend bei dem Überspannungs-Anschluss 255 und
endend bei dem geschützten
Anschluss 260, beschrieben werden. Jedes Segment wird mit
A bis H bezeichnet. Der innere Leiter 215 befindet sich
bei den Segmenten A, B, C, G und H und weist einen Außenradius
von etwa 60 mm auf.
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Die Segmente 215A und 215B weisen
einen inneren Leiter 215 auf, der von einem Luft-Dielektrikum
umgeben ist. Der Innenradius des Hohlraums 222 von Segment 215B beträgt etwa
137,8 mm.
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Das Segment 215C weist einen
inneren Leiter 215 auf, der von dem ersten Isolationselement 226 abgestützt und
umgeben ist. Das erste Isolationselement 226 weist einen
Innenradius von etwa 57,5 mm, einen Außenradius von etwa 200 mm und eine
Länge von
etwa 325 mm auf. Der Innenradius des Hohlraums 222 beträgt etwa
200 mm.
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Das Segment 215D weist einen
Füllstoff 240 auf,
welcher den inneren Leiter 215 mit der spiralförmigen Induktionsspule 230 koppelt.
Der Füllstoff 240 ist
in dem Hohlraum 222 vorgesehen. Bei dem Segment 215D bildet
der Hohlraum 222 einen Winkel von 45 Grad. Der Winkel von
45 Grad ermöglicht
eine Anpassung mit niedriger Diskontinuität zwischen der 50-Ohm-Leitung
und der spiralförmigen
Induktionsspule 230: Der Füllstoff 240 weist
einen Außenradius von
etwa 140 mm auf und ist aus einem mit Silber überzogenen Messingmaterial
hergestellt.
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Das Segment 215E weist eine
spiralförmige Induktionsspule 230 auf,
die innerhalb des Hohlraums 222 angeordnet ist. Die spiralförmige Induktionsspule 230 weist
einen Innenradius von etwa 62,5 mm und einen Außenradius von etwa 432,5 mm
auf. Die innere Spirale 231 der spiralförmigen Induktionsspule 230 ist
mit dem inneren Leiter 215 gekoppelt. Die äußere Spirale 232 der
spiralförmigen
Induktionsspule 230 ist mit dem Gehäuse 220 gekoppelt. Die
spiralförmige
Induktionsspule 230 kann von einer bestimmten bekannten
Art sein, beispielsweise von dem Archimedes-Typ, einer logarithmischen
oder hyperbolischen Spiralform oder durch eine Kombination dieser
Spiralen gebildet sein. Der Innenradius des Hohlraums 222 beträgt etwa
432,5 mm. Das Gehäuse 220 ist
mit einer gemeinsamen Erdungsverbindung verbunden, um die elektrische
Energie zu entladen.
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Wählend
eines Überspannungszustands
erreicht die elektrische Energie zuerst die innere Spirale 231 der
spiralförmigen
Induktionsspule 230. Die elektrische Energie wird dann über die
Spiralen der spiralförmigen
Induktionsspule 230 in einer Richtung nach außen hin
abgeleitet. Wenn die elektrische Energie die äußere Spirale 232 erreicht,
wird die elektrische Energie über
das Gehäuse 220 auf
die Masse abgeleitet.
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Das Segment 215F weist eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 auf,
die innerhalb des Hohlraums 222 angeordnet ist, mit einem
Innenradius von etwa 400 mm. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 ist
typischerweise eine kapazitive Einrichtung, die entweder in konzentrierter
oder in verteilter Form realisiert ist. Die kapazitive Einrichtung
weist zwei Elektroden auf. Die erste Elektrode weist eine erste
Platte 251A und eine erste Überleitung 252A auf.
Ebenso weist die zweite Elektrode eine zweite Platte 251B und
eine zweite Überleitung 252B auf.
Der Radius von jeder Platte 251A, 251B beträgt etwa
243 mm und die Dicke beträgt
etwa 50 mm. Der Radius von jeder Überleitung 252A, 252B beträgt etwa
92,5 mm und die Dicke beträgt
etwa 186 mm. Jede Platte 251A, 251B weist eine
größere Kapazität auf als
jede Überleitung 252A, 252B.
Folglich ist die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 so
ausgelegt, dass die beiden Platten 251A, 251B und
die beiden Überleitungen 252A, 252B gemeinsam
einen Pfad mit einer Impedanz von etwa 50 Ohm ausbilden. Typischerweise
ist ein dielektrisches Material 253, beispielsweise Teflon,
zwischen den beiden Platten angeordnet. Die Dicke des dielektrischen
Materials 253 beträgt
etwa 20 mm. Der Abstand zwischen den Platten kann ebenso wie das
verwendete dielektrische Material variieren. Die Abmessungen, die
Form, Größe und der
Abstand zwischen den Platten wird so gewählt, um eine gewünschte Impedanz
für den
gewählten
Betriebs-Frequenzbereich
zu erzielen. Alternativ kann die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 außerhalb des
Gehäuses 220 angeordnet
sein.
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Das Segment 215G weist einen
inneren Leiter 215 auf, der von dem zweiten Isolationselement 228 abgestützt und
umgeben ist. Das zweite Isolationselement 228 weist einen
Innenradius von etwa 57,5 mm, einen Außenradius von etwa 200 mm und eine
Länge von
etwa 150 mm auf. Die Größe und Form
der Isolationselemente 226, 228 ist so ausgelegt,
dass diese eine Struktur ausbilden, die eine gewünschte Impedanz aufweist, das
heißt
50 Ohm. Der Innenradius des Hohlraums 222 beträgt etwa
200 mm.
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Das Gehäuse 220 kann für eine einfache
Demontage und einen einfachen Austausch von Teilen aus einer oder
mehreren Strukturen bestehen. O-Ringe 254 werden dazu verwendet,
um den Überspannungs-Unterdrücker 100 witterungsbeständig zu machen,
so dass beispielsweise keine Feuchtigkeit bzw. kein Wasser in das
Gehäuse 220 gelangen kann.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind die spiralförmige Induktionsspule 230 und
die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 innerhalb
des Hohlraums 222 angeordnet, um eine kompakte Größe zu erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die spiralförmige
Induktionsspule 235 und die Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung 230 innerhalb des
Hohlraums 222 zueinander ausgerichtet.
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Der Überspannungs-Unterdrücker 100 ist vorzugsweise
in der Impedanz an das System angepasst, um ein niedriges VSWR zu
gewährleisten.
Typischerweise beträgt
die Impedanz des Überspannungs-Unterdrückers 100 sowohl
bei dem Ü-berspannungs-Anschluss 255 als
auch bei dem geschützten
Anschluss 260 50 Ohm.
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Die 4 stellt
eine Seitenansicht der spiralförmigen
Induktionsspule, wie dargestellt, gemäß der vorliegenden Erfindung
dar. Die innere Spirale 231 weist einen Radius von etwa
62,5 mm auf. Die äußere Spirale 232 weist
einen Radius von etwa 432,5 mm auf. Die spiralförmige Induktionsspule 230 erstreckt
sich spiralförmig
in Richtung nach außen
hin. Die spiralförmige
Induktionsspule 230 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
weist drei Spiralen auf. Die Anzahl von Spiralen und die Dicke von
jeder Spirale kann in Abhängigkeit
von der speziellen Anwendung des Nutzers variieren.
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Die 5 stellt
eine Vorderansicht der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 wird
in der gesamten Patentbeschreibung beispielsweise als das Segment 215F beschrieben.
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Die 6 stellt
einen iterativen Prozess dar, um die Induktivität der spiralförmigen Induktionsspule zu
bestimmen. Der iterative Prozess kann auch dazu verwendet werden,
um die Kapazität
der Überspannungs-Blockierungseinrichtung
für die
spezielle Anwendung des Nutzers zu berechnen. Zu Anfang wird bei
dem Schritt 602 eine Abschneidefrequenz durch Wählen einer unteren Bandbreitengrenze
und durch Dividieren durch 8 bestimmt. Außerdem wird eine gewünschte Impedanz
gewählt.
Die Abschneidefrequenz legt das untere Ende der Nutzer-Bandbreite fest.
Die gewünschte
Impedanz beträgt
typischerweise 50 Ohm, kann jedoch je nach Bedarf so gewählt werden,
um einen anderen Wert anzunehmen.
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Als Nächstes werden bei dem Schritt
604 Anfangswerte für
L und C unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung berechnet: (1) L = Zo/(12,6*fc)
(2)
C = 1/(12,6*fc*Zo)wobei:
Zo = gewünschte Impedanz
fc = Abschneide-Frequenz
= untere Betriebsgrenze/8
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei
dem die -3dB-Abschneide-Frequenz etwa 212 MHz und die gewünschte Impedanz
50 Ohm beträgt, weist
der Induktor bzw. die Induktionsspule einen Wert von 18,7 nH und
die kapazitive Einrichtung einen Wert von 7,5 pF auf.
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Als Nächstes werden bei dem Schritt
606 die Abmessungen des Hohlraums des Überspannungs-Unterdrückers und
die Nebenbedingungen der Induktionsspule definiert. Die minimalen
Abmessungen des Hohlraums des Überspannungs-Unterdrückers werden
hauptsächlich
durch den Durchmesser des verwendeten Ste ckers, das heißt N-Typ, BNC
etc., bestimmt. Die Nebenbedingungen der Induktionsspule werden
Größen-Nebenbedingungen beinhalten,
beispielsweise den Innendurchmesser des Hohlraums und Betriebsbeschränkungen,
beispielsweise die erforderliche Leitfähigkeit, die Strom-Handhabung,
die Steifigkeit, die Art und Dicke des verwendeten Induktionsspulenmaterials.
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Sobald der RF-Wert der Induktionsspule,
die Abmessungen des Hohlraums und die physikalischen Nebenbedingungen
festgelegt sind, wird eine spiralförmige Induktionsspule bzw.
ein Spiral-Induktor so ausgelegt, um sämtlichen dieser Anforderungen
zu genügen,
wie in dem Schritt 608 gezeigt. Der so ausgelegte Spiral-Induktor
wird die berechnete Induktivität
aufweisen, um die erforderliche Abschneide-Frequenz sowie die physikalische Größe und Form
bereitzustellen, um in das benötigte
Gehäuse zu
passen und während
einer Überspannung
ohne Fehler den erforderlichen Strom zu leiten. Die spiralförmige Induktionsspule
kann von einem bestimmten bekannten Typ sein, beispielsweise von
einer Archimedes-Form, einer logarithmischen oder hyperbolischen
Spiralform oder eine Kombination dieser Spiralformen darstellen.
Außerdem
kann die spiralförmige
Induktionsspule eine Form aufweisen, die aus zwei oder mehr überlappten
Spiralen resultiert. Die spiralförmige
Induktionsspule wird vorzugsweise unter Verwendung eines RF-Modellierungssystems, beispielsweise
dem HP 85123A, ausgelegt, so dass eine genauere Simulation der Induktionsspule
durchgeführt
werden kann.
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Sobald die Spirale ausgelegt ist,
wird diese hergestellt, in ein Gehäuse, das identisch ist zu ihrer schlussendlichen
Betriebsumgebung, platziert und getestet, um zu bestimmen, ob die
gemessene Induktivität
in etwa äquivalent
zu der gewünschten
Induktivität
ist, wie in dem Schritt 610 gezeigt. Wie man aus dem Stand der Technik
weiß,
führt ein
Anordnen eines Schaltungselements innerhalb eines geerdeten Gehäuses zu
parasitären
Effekten, denen man Rechnung tragen muss, falls ein einwandfreier
Betrieb erzielt werden soll.
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Die Spirale wird unter Verwendung
einer herkömmlich
bekannten RF-Testausrüstung,
beispielsweise eines automatischen HP 8753-Network-Analyzers, getestet.
Falls die Testresultate eine nicht akzeptable Abweichung zwischen
der gemessenen und der gewünschten
Induktivität
anzeigen, wird der Prozess zum Auslegen der spiralförmigen Induktionsspule
wiederholt, wie in dem Schritt 610 gezeigt.
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Falls die gemessene Induktivität im Vergleich zu
der gewünschten
Induktivität
innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, wird ein Überspannungs-Unterdrücker mit
einer Durchleitung (thru line) gemessen, wie in dem Schritt 612
gezeigt. Die Durchmessung wird vorgenommen, um für eine Basis- bzw. Grundlinienmessung
des Einkopplungsverlustes über
die in Betracht kommende RF-Frequenz zu sorgen. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
reicht der in Betracht kommende Frequenzbereich von 1,7 GHz bis
2,3 GHz.
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Als Nächstes wird in dem Schritt
614 ein Überspannungs-Unterdrücker mit
einer Durchleitung derselben Abmessungen, wie diese in dem Schritt 612
gemessen wurden, und die spiralförmige
Induktionsspule, die von bzw. mittels der Durchleitung mit Masse
(im Nebenschluss) verbunden ist, im Hinblick auf einen Einkopplungsverlust über den
in Betracht kommenden RF-Frequenzbereich vermessen. Diese Messung
kann dann mit der vorherigen Durchmessung verglichen werden um anzuzeigen,
in welchem Ausmaß es
zu einer Verschlechterung des Einkopplungsverlustes auf Grund der
Hinzufügung
der spiralförmigen
Induktionsspule im Nebenschluss kommt. Falls der Einkopplungsverlust
der Durchleitung plus Nebenschluss-Induktionsspule nicht innerhalb
eines akzeptablen Bereichs liegt, werden die Schritt 608, 610 und
612 wiederholt. Andere Messungen, beispielsweise Messungen für einen
Einzelanschluss, können
anstelle oder zusätzlich
zu der Einkopplungsverlust-Messung verwendet werden, um den Überspannungs-Unterdrücker näher zu bestimmen.
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Falls der Einkopplungsverlust der
Durchleitung plus spiralförmiger
Nebenschluss-Induktionsspule
innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, wird eine kapazitive
Reihen-Überspannungs-Blockierungseinrichtung
für die
Einbeziehung in den U-berspannungs-Unterdrücker ausgelegt,
wie in dem Schritt 616 gezeigt. Die kapazitive Einrichtung wird ausgelegt,
um die berechnete Kapazität
aufzuweisen, in den spezifizierten Innendurchmesser des Hohlraums
hinein zu passen und die physikalischen Eigenschaften aufzuweisen,
um einem Überspannungszustand
zu widerstehen. Die Kombination der Durchleitung, der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule und
der kapazitiven Reiheneinrichtung kann unter Verwendung eines zwei-
oder dreidimensionalen CAD-Systems simuliert werden. Falls diese verwendet
werden, können
Modifikationen an dem Design der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule,
der kapazitiven Reihen-Überspannungs-Blockierungseinrichtung
und/oder deren Trennung vorgenommen werden, um das Leistungsverhalten
des Überspannungs-Unterdrückers weiter
zu optimieren. Insbesondere hat man herausgefunden, dass ein Variieren
der Form und der Größe der Elektroden
der kapazitiven Einrichtung in einer Änderung der effektiven Induktivität der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule
resultiert, um das Leistungsverhalten der Schaltung weiter zu optimieren.
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Bei dem Schritt 618 wird ein neuer Überspannungs-Unterdrücker mit
der Durchleitung, der spiralförmigen
Nebenschluss-Induktionsspule und der kapazitiven Reihen-Überspannungs-Blockierungseinrichtung
gefertigt und unter Verwendung der vorgenannten oder einer vergleichbaren
Testausrüstung
getestet. Falls der Ü-berspannungs-Unterdrücker einen
nicht akzeptablen Einkopplungsverlust über den gewünschten Frequenzbereich aufweist, können das
Design der kapazitiven Einrichtung und/oder deren Position entlang
der Durchleitung modifiziert werden, um das Antwortverhalten auf
den gewünschten
Wert abzustimmen. Genauer gesagt, kann die Teilung, der Durchmesser
und das dielektrische Material der kapazitiven Einrichtung verändert werden,
um die Einkopplungsverlust-Antwort innerhalb von akzeptablen Grenzen
abzustimmen. Falls eine Modifikation der kapazitiven Ein richtung
nicht erfolgreich ist zu einem Abstimmen des oder der gewünschten
Parameter beiträgt,
so dass diese innerhalb von akzeptablen Grenzen liegen, werden die Schritte
608, 610, 612, 614 und 616 wiederholt.
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Falls der Überspannungs-Unterdrücker einen
akzeptablen Einkopplungsverlust und/oder andere Qualifizierungsparameter
darbietet, wird dieser einer RF-Leistungs-Handhabung
und einer Erprobung unter Umweltbedingungen unterzogen, wie in dem
Schritt 620 gezeigt. Genauer gesagt, wird der Überspannungs-Unterdrücker hohen
Werten einer RF-Energie und Umwelt-, Temperatur- und Schwingungszuständen ausgesetzt,
die wahrscheinlich während
eines Betriebs auftreten werden. Falls der Überspannungs-Unterdrücker bei
einem Betrieb über einen
vorbestimmten Bereich versagt, werden die Schritt 608, 610, 612,
614, 616 und 618 wiederholt.
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Falls der Überspannungs-Unterdrücker ein ausreichendes
RF-Leistungs-Handhabungsverhalten aufweist und in der Lage ist,
einem akzeptablen Ausmaß von
Umweltbelastungen zu widerstehen, wird dieser einer Überspannungs-Zertifizierung
unterzogen, wie in dem Schritt 622 gezeigt. Eine Überspannungs-Zertifizierung
kann bedingen, dass der Überspannungs-Unterdrücker hohen
Stromimpulsen unter verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt wird,
um einen Blitzschlag zu simulieren.
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Andere Ausführungsbeispiele des Auslegungsprozesses
sind natürlich
möglich.
Beispielsweise müssen
bei dem Ausführungsbeispiel
des Überspannungs-Unterdrückers mit
nur einer spiralförmigen
Nebenschluss-Induktionsspule nur die Schritte 606, 608, 612, 614,
620 und 622 ausgeführt werden.
Insbesondere muss nur der Wert der Induktivität der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule
bestimmt und getestet werden. Anschließend wird der Einkopplungsverlust
und/oder andere Parameter einer Durchgangsleitung als Qualifikationsparameter
verwendet, um zu bestimmen, ob die Durchleitung plus spiralförmiger Neben schluss-Induktionsspule
innerhalb eines akzeptablen Fensters innerhalb des gewünschten
Frequenzbereichs betrieben werden kann. Schließlich tritt eine RF-Leistungs-Handhabung
und eine Umwelt- und Überspannungs-Qualifizierung,
wie vorstehend beschrieben, auf.
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Wenngleich das bevorzugte Ausführungsbeispiel
mit einer speziellen kapazitiven Einrichtung und einer speziellen
spiralförmigen
Induktionsspule bzw. Spiral-Induktor
gezeigt wurde, ist es nicht erforderlich, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung exakt die vorstehend beschriebenen Elemente verwendet
werden. Somit sollen die Werte der kapazitiven Einrichtung und des
Spiral-Induktors ein Ausführungsbeispiel
erläutern
und die Erfindung nicht beschränken.